江颖:在水世界里解开《科学》的世纪难题

  在日常生活中,水实在是再普通不过的物质了。但熟悉的东西,人们却未必真正地了解。

  “水的结构如何”,曾被《科学》杂志列为本世纪125个最具挑战性的科学问题之一。

  在10年前的一次学术报告会上,来自英国的一位水科学领域资深教授的报告内容,给北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖留下了深刻的印象。长期以来,关于水结构的理论研究有很多,但从实验层面来看,鲜有能和理论研究进行直接对比验证的结果。

  “会后交流时,我问为什么实验跟不上理论的发展,那位教授回答说,水科学研究的实验难度太大了。当时,我就想,我们应该在实验领域做一点事情。”江颖回忆道。

  选择迎难而上的江颖,和他所在的团队一道,逐步逼近水的“真相”。首次拍摄到水分子内部结构、首次看到水合钠离子的原子级“真面目”……他们的研究发现,不断地刷新人们对于水的认知。

  近日,由于其突出的科研表现,江颖荣获第十五届中国青年科技奖。

  让“隐形”的氢原子显形

  初中化学课上,老师们讲过,水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。听上去,水的分子结构似乎很简单。可要在显微镜下真正看到水分子的结构,并非易事。

  “在化学元素周期表上排第一的氢,它的质量和尺寸都非常的小,就像是一个‘隐形’的原子一样,想在显微镜下捕捉到它并为其成像非常困难。”江颖说道。

  在美国做博士后研究时,扫描探针显微术是江颖主要的研究手段之一。通过探测电流,扫描探针显微镜能够对物质表面的形貌进行表征,分辨率可达到原子级别。

  通常,光学显微镜的分辨率能达到几百纳米的量级,而扫描探针显微镜的分辨率能小于一个纳米。在分辨率上,后者比前者要高3个量级。借助扫描探针显微技术,能否让氢原子显形?

  说干就干。江颖和团队成员2010年开始着手设计实验。在液态情况下,水的流动性非常强。想要对单个水分子成像,需要让它能稳定地待在某种物质的表面上,也就是说,要找到合适的衬底。

  过去,科学家一般采用金属作为衬底,把水直接放在金属表面上进行观察。采用这种方法,拍摄到的水分子照片,最多只能拍出其模糊的外形——一个没有任何内部结构的圆形凸起。

  为了拍到水分子的“高清图”,江颖团队另辟蹊径,在金属和水分子中间插入了一层绝缘的氯化钠薄膜。

  氯化钠可以牢牢地“抓”住单个水分子,同时减弱了水分子与金属衬底之间的耦合,从而帮助科学家观测并拍摄到水分子吸附在氯化钠表面上的形貌和水分子的具体结构。

  功夫不负有心人。2013年,江颖团队在实验室里首次观测并拍摄到了单个水分子的内部结构,看到了氢原子和氧原子在水分子里是如何排列的。

  “当时大家都非常兴奋。在拍到单个水分子的同时,我们还拍到了由4个水分子组成的水团簇。”江颖回忆道,他们发现水分子之间通过氢键连接的时候,存在着一定的方向性,对水分子之间网络结构的形成有了更多的了解。

  在氯化钠的表面,水分子以什么样的形态存在,是“躺”着还是“站立”着?对此,学界存在争议,有理论模拟认为,水分子是“躺”在氯化钠表面的。而江颖团队的观测结果表明,水分子是“站立”在氯化钠表面上的。

  这一“实锤”发现,对理论界也形成了不小的冲击。

  “看到”水合离子的原子级图像

  相信很多人都有过自制盐水的经历。舀一勺盐,倒进一杯水里搅一搅,就能很容易地得到一杯盐水。

  可是,从微观层面来看,水分子和盐离子之间到底是如何相互作用的?这一直是科学家们迫切想解开的谜团。

  早在19世纪末,科学家就开始了对离子水合过程的研究,但至今其中的许多问题尚无定论。在江颖看来,究其原因,关键在于缺乏直接观测的实验手段,以及精准可靠的计算模拟方法。

  在看清单个水分子的“本质”以后,江颖将研究视野扩展到了离子水合物。要研究离子水合物的微观结构和动力学行为,首先面临的挑战是制备单个离子水合物。

  虽然得到一杯盐水很容易,可是要在一杯盐水里挑出单个的离子水合物却非常困难。离子水合物相互聚集、相互影响,水合结构也在不断变化,不利于高分辨成像。

  “对此,我们经过不断的尝试和摸索,基于扫描隧道显微镜发展了一套独特的离子操控技术。”江颖介绍道,将非常尖锐的金属针尖用做原子、分子世界的“机械手”,能够可控地制备单个离子水合物。

hg0088注册官网-hg0088正网注册 (http://www.mkjlksn.com/kejixinwen/11179.html):江颖:在水世界里解开《科学》的世纪难题

上一篇:开荒山种杨梅 他让“火焰山”变成“花果山”
下一篇:人工驾驶和自动驾驶还将并“行”五十年

网友回应

欢迎扫描关注我们的微信公众平台!

欢迎扫描关注我们的微信公众平台!